ALN (nitrure d'aluminium) : Formule, structure et applications

Le nitrure d'aluminium (AlN) - souvent abrégé en ALN ou AIN - est un composé céramique d'aluminium et d'azote. Dans la littérature, "AlN" et "AIN" sont utilisés indifféremment ; le nom chimique est nitrure d'aluminium (nom IUPAC : nitrure d'aluminium). Ce nitrure binaire cristallise dans un réseau hexagonal de wurtzite (similaire au GaN ou au ZnO).En raison des fortes liaisons Al-N et de la coordination tétraédrique, l'AlN est un isolant électrique avec une bande interdite ultra large (~6,1 eV). Les principales propriétés du matériau comprennent une densité élevée (~3,26 g/cm³unipretec-ceramics.com), une dureté extrême (~11 GPa Vickers) et une conductivité thermique exceptionnelle.

Formule, structure et applications de l'ALN (nitrure d'aluminium)

Great Ceramic propose des substrats et des composants en AlN sur mesure (plaques, rondelles, entretoises, etc.) dotés d'excellentes propriétés thermiques et électriques. Ses céramiques AlN sont d'une pureté >96% et présentent une conductivité thermique élevée (>170-200 W/m-K)、 une dilatation thermique très faible, une résistance et une dureté élevées, ainsi qu'une excellente isolation électrique. Ces propriétés font de l'AlN un matériau idéal pour l'emballage électronique et la gestion thermique - par exemple, les dissipateurs thermiques et les substrats dans les modules LED de haute puissance, les modules de puissance IGBT et MOSFET, les dispositifs RF/micro-ondes et d'autres circuits où une dissipation thermique et une isolation électrique efficaces sont essentielles.En fait, les substrats en AlN peuvent avoir une conductivité thermique jusqu'à 9 fois supérieure à celle de l'alumine (Al₂O₃), tandis que leur coefficient de dilatation thermique (~4,6×10-⁶/K) est proche de celui du silicium, ce qui réduit les contraintes dans les boîtiers de puces.Les pièces céramiques typiques en AlN comprennent des plaques, des tiges, des tubes, des rondelles et des composants usinés sur mesure - tous disponibles chez Great Ceramic par usinage CNC de précision ou par traitement au laser.

Structure et propriétés de l'AlN

La structure hexagonale wurtzite de l'AlN donne à chaque atome d'Al quatre voisins N les plus proches (et vice versa). Cette forte liaison ionique/covalente permet d'obtenir un semi-conducteur à bande interdite ultra large (~6,1 eV), ainsi qu'une tension de claquage élevée. À l'état pur, l'AlN est un très bon isolant électrique, avec une résistivité volumique >10¹⁴ Ω-cm. La conductivité thermique est exceptionnellement élevée parmi les céramiques (AlN en vrac 170-200+ W/m-K ; monocristaux jusqu'à ~320 W/m-K. À titre de comparaison, la conductivité thermique de l'AlN est environ huit fois supérieure à celle de l'alumine et dépasse de loin celle de la plupart des autres céramiques techniques). La faible dilatation thermique de l'AlN (~4,5-5,2×10-⁶/K) est proche de celle du silicium (~2,6×10-⁶/K), ce qui minimise les contraintes thermiques dans l'électronique. La dureté est également élevée (Vickers ~11 GPa) et l'AlN est chimiquement stable (résiste aux acides/bases et au métal en fusion). Ces propriétés combinées - stabilité thermique élevée, rigidité élevée (module de Young ~320 GPa) et transparence optique dans l'UV - permettent une large gamme d'utilisations.

Applications industrielles de l'AlN

Les céramiques AlN sont utilisées partout où la chaleur doit être déplacée efficacement ou lorsqu'une isolation à haute température et à haute puissance est nécessaire. Les principales applications sont les suivantes

Emballages électroniques et dissipateurs thermiques :

Substrats et boîtiers en AlN pour les DEL de haute puissance, les diodes laser, les modules de puissance IGBT/MOSFET et les dispositifs RF. Sa conductivité thermique élevée et sa bonne rigidité diélectrique permettent une dissipation rapide de la chaleur et la fiabilité des appareils.

Équipement de fabrication de semi-conducteurs :

Composants de chambre (comme les chambres de gravure au plasma, les revêtements CVD/PECVD), supports de substrat et fixations. La résistance de l'AlN aux températures élevées, au vide et aux plasmas corrosifs (procédés de gravure, RIE) protège l'équipement et réduit la contamination.

Appareils à micro-ondes et à haute fréquence :

Substrats d'antennes, résonateurs diélectriques et amplificateurs micro-ondes. La faible perte diélectrique de l'AlN et sa permittivité stable jusqu'à des fréquences de l'ordre du GHz permettent des performances RF efficaces.

Électronique automobile :

Modules de puissance pour véhicules électriques, convertisseurs DC-DC et gestion des batteries (BMS). L'AlN est utilisé dans l'électronique automobile à haute température pour les véhicules électriques, ce qui permet d'obtenir des densités de puissance plus élevées.

Systèmes optiques et lasers :

Bases et dissipateurs thermiques pour lasers de grande puissance et montures optiques de précision. Les substrats d'AlN ont été utilisés pour réaliser des lasers et des DEL dans l'ultraviolet profond (DUV) ; sa large bande interdite et sa correspondance de réseau avec le GaN permettent de réaliser des diodes UV à 220-280 nm.

Aérospatiale et défense :

Dans le domaine de l'espace et de la défense, le faible dégazage et la conductivité thermique de l'AlN permettent de dissiper la chaleur des composants électroniques et des capteurs de l'avionique.

Équipement médical :

Composants des appareils à rayons X, des appareils de thérapie par radiofréquence et des biocapteurs, qui nécessitent une isolation électrique et une biocompatibilité élevées. Par exemple, l'AlN est utilisé dans les électrodes et les supports d'appareils médicaux à haute fréquence.

Ces applications tirent parti de la combinaison unique de l'AlN en matière de gestion thermique et d'isolation électrique. Dans de nombreux cas, l'AlN est préféré à l'alumine (Al₂O₃) ou à l'oxyde de béryllium (BeO) en raison de sa conduction thermique supérieure et de son expansion similaire à celle du silicium.

AlN dans les semi-conducteurs et les emballages avancés

L'AlN suscite de plus en plus d'intérêt en tant que matériau semi-conducteur à bande interdite ultra-large (UWBG). Avec une bande interdite de ≈6 e, l'AlN est adapté à l'électronique à haute puissance et à haute fréquence. Les chercheurs de l'université Cornell notent que la conductivité thermique, la tension de claquage élevée et la forte tolérance au champ électrique de l'AlN en font un matériau idéal pour les transistors de puissance et les diodes de la prochaine génération. Les travaux de R&D actuels (par exemple, les projets financés par la DARPA) se concentrent sur les diodes PIN basées sur l'AlN avec une résistance à l'état passant ultra-faible pour réduire les pertes d'énergie. En outre, les substrats d'AlN ont permis de réaliser les premiers lasers à diode dans l'UV profond (longueurs d'onde <280 nm) – critical for sterilization and sensing – due to AlN's lattice compatibility with aluminum gallium nitride (AlGaN) layers.

Dans le domaine de l'emballage électronique, les substrats céramiques AlN jouent un rôle qui "change la donne". La conductivité thermique de l'AlN (150-230 W/m-K) dépasse largement celle de l'alumine, ce qui permet d'évacuer la chaleur des puces avec une résistance thermique minimale. Sa dilatation thermique correspond à celle du silicium, ce qui permet de coller directement les puces ou de les retourner sur l'AlN sans induire de contraintes.Par conséquent, les substrats d'AlN sont largement utilisés dans les modules IGBT, les convertisseurs de puissance et les boîtiers LED avancés.On trouve également l'AlN dans les technologies d'emballage avancées - par exemple, les boîtiers en éventail au niveau de la tranche et les modules empilés en 3D - car ses performances thermiques et son isolation élevées améliorent la fiabilité des assemblages denses et à haute puissance.En bref, les céramiques d'AlN servent à la fois de dissipateur thermique et de substrat dans de nombreuses applications semi-conductrices et électroniques de pointe.

Produits et services AlN de Great Ceramic

Great Ceramic est un fabricant professionnel de céramiques AlN et de composants sur mesure.Nous proposons des matériaux céramiques à base de nitrure d'aluminium de haute pureté (>96%) sous de nombreuses formes - plaques, substrats, tubes, tiges, rondelles, entretoises et pièces entièrement usinées.Nos pièces AlN peuvent être conçues sur mesure et produites par des OEM avec des tolérances serrées et une métallisation optionnelle (par exemple, cuivre ou revêtement DBC) pour l'électronique de puissance. Les céramiques AlN de Great Ceramic ont généralement une densité de ~3,3 g/cc et une conductivité thermique >170 W/m-K. Nous prenons en charge le prototypage rapide et la production en petites séries, y compris la découpe laser de précision et le meulage. Pour explorer nos capacités en matière d'ALN ou demander un devis, consultez notre page sur les produits en nitrure d'aluminium (AlN) ou contactez-nous pour obtenir une assistance technique.

FAQ sur l'AlN (nitrure d'aluminium)

Qu'est-ce que l'ALN ?

ALN (ou AIN) est l'abréviation courante du nitrure d'aluminium, un composé céramique d'aluminium (Al) et d'azote (N). Il s'agit d'un matériau dur, blanc (ou jaune pâle) qui est un excellent conducteur thermique et isolant électrique.

Quelle est la formule chimique du nitrure d'aluminium ?

La formule moléculaire est AlN. Cela signifie qu'il y a un atome d'aluminium et un atome d'azote par unité de formule. La formule s'écrit parfois AIN (mêmes lettres, en majuscules), mais il s'agit du même composé. Le nitrure d'aluminium porte le nom IUPAC de nitrure d'aluminium.

Quel est le point de fusion de l'AlN ?

L'AlN a une température de fusion extrêmement élevée. Dans des conditions inertes, il se décompose ou "fond" à environ 2200-2500 °C. Par exemple, les données techniques indiquent souvent que le point de fusion de l'AlN est d'environ 2220 °C. En pratique, l'AlN reste solide et thermiquement stable jusqu'à environ 1000-1200 °C dans l'air, ce qui le rend adapté aux applications à haute température.

Comment l'AlN est-il utilisé dans l'industrie ?

L'AlN est largement utilisé dans les applications électroniques et de gestion thermique. Il est également utilisé dans les équipements de fabrication de semi-conducteurs (chambres de gravure, mandrins pour tranches de silicium), les communications à haute fréquence (composants radar 5G), les systèmes d'alimentation des véhicules automobiles et l'électronique aérospatiale/défense. Dans tous les cas, l'AlN sert soit de dissipateur thermique/isolant haute performance, soit de substrat céramique pour améliorer la fiabilité des dispositifs. (Malgré son coût plus élevé, les avantages thermiques de l'AlN le rendent irremplaçable dans les systèmes haut de gamme à forte puissance).

L'ALN est-il identique au "nitrure d'oxyde d'aluminium" ou AlON ?

Non. L'"oxynitrure d'aluminium" (souvent appelé AlON) est une céramique transparente différente composée d'aluminium, d'oxygène et d'azote. L'ALN désigne spécifiquement le nitrure d'aluminium pur (sans oxygène). Ils ont des propriétés et des applications différentes. (Voir les autres matériaux de Great Ceramic pour des informations sur l'oxynitrure d'aluminium si nécessaire).